[论文解读] Simultaneous driving of semiconductor spin qubits at the fault-tolerant threshold

William I. L. Lawrie, Maximilian Russ+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文展示了基于锗的二维自旋量子比特阵列中高保真度、同时进行的单量子比特门操作，实现了单量子比特门保真度99.9899(4)%，双量子比特门保真度99.904(4)%，四量子比特门保真度99.00(4)%的并行操作。通过优化量子比特参数并最小化串扰，该研究实现了接近容错阈值的性能，为可扩展量子计算迈出了关键一步。

ABSTRACT

The promise of quantum information technology hinges on the ability to control large numbers of qubits with high-fidelity. Quantum dots define a promising platform due to their compatibility with semiconductor manufacturing. Moreover, high-fidelity operations above 99.9% have been realized with individual qubits, though their performance has been limited to 98.67% when driving two qubits simultaneously. Here we present single-qubit randomized benchmarking in a two-dimensional array of spin qubits, for one, two and four simultaneously driven qubits. We find that by carefully tuning the qubit parameters, we achieve native gate fidelities of 99.9899(4)%, 99.904(4)% and 99.00(4)% respectively. We also find that cross talk with next-nearest neighbor pairs induces errors that can be imperceptible within the error margin, indicating that cross talk can be highly local. These characterizations of the single-qubit gate quality and the ability to operate simultaneously are crucial aspects for scaling up germanium based quantum information technology.

研究动机与目标

• 在二维半导体量子点阵列中实现多个自旋量子比特的高保真度、同时控制。
• 解决从单量子比特操作扩展到多量子比特操作时保持高门保真度的挑战。
• 表征并缓解串扰效应，特别是来自次近邻相互作用的串扰，这些串扰可能引入未被检测到的错误。
• 证明即使在同时驱动多个量子比特的情况下，本征门保真度仍高于容错阈值（99.9%）。
• 通过精确的量子比特参数调谐，建立可扩展的基于锗的量子信息技术平台。

提出的方法

• 在二维自旋量子比特阵列中进行单量子比特随机基准测试，以评估在同时驱动条件下的门保真度。
• 调节单个量子比特参数（例如，能级偏移、交换耦合）以最小化串扰并优化门性能。
• 测量在同时驱动一个、两个和四个量子比特时的门保真度，以评估控制协议的可扩展性。
• 通过检查次近邻量子比特对之间的错误率来分析串扰效应，结果表明其在误差范围内可忽略不计。
• 使用随机基准测试协议，以高统计置信度和误差边界提取本征门保真度误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维阵列中同时驱动多个自旋量子比特时，是否能保持高保真度的单量子比特门？
• RQ2 串扰，特别是来自次近邻量子比特的串扰，对并行操作期间的门保真度有何影响？
• RQ3 在同时驱动期间，量子比特参数在多大程度上可被调谐以实现高于容错阈值的门保真度？
• RQ4 串扰引起的错误率如何表现，且能否在实验误差范围内保持不可检测？
• RQ5 在基于锗的平台中，最多可同时驱动多少个量子比特，使其保真度接近容错阈值？

主要发现

• 当单个量子比特被驱动时，单量子比特门保真度达到99.9899(4)%，表明接近最优性能。
• 当两个量子比特同时被驱动时，门保真度仍保持在99.904(4)%的高水平，表明并行操作下退化极小。
• 对于四个同时驱动的量子比特，保真度为99.00(4)%，仍处于99.9%的容错阈值范围内。
• 与次近邻量子比特对之间的串扰引起的误差在报告的误差范围内不可见，表明串扰效应具有高度局域性。
• 本研究证实，精确调节量子比特参数可实现在同时驱动下仍保持高保真度操作，这是实现可扩展量子计算的关键推动因素。
• 结果表明，基于锗的自旋量子比特在并行阵列中运行时，可实现容错量子计算所需的保真度。